水環境における重金属（HMs）汚染。HMs浄化におけるプロバイオティクスと腸内細菌叢の役割

環境研究
オンラインでは2022年12月28日、115186号でご覧いただけます。
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総説
水環境における重金属（HMs）汚染。HMs浄化におけるプロバイオティクスと腸内細菌叢の役割
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https://doi.org/10.1016/j.envres.2022.115186
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要旨
水生生態系における重金属（HMs）の存在は、水生生物に蓄積する傾向があるため、普遍的な懸念事項である。重金属の蓄積は水生生物に有害な影響を与えることが分かっている。一般的なHMsによる毒性は、成長阻害、生存率低下、酸化ストレス、組織損傷、呼吸障害、腸内細菌異常などである。食事性プロバイオティクスの応用は、HMsを腸内で結合・除去するアプローチとして可能性があり、「腸内環境改善」と呼ばれ発展してきた。魚、マウス、ヒトにおけるHMsの毒性作用と、HMsを除去するプロバイオティクスの可能性については、以前から議論されてきた。しかし，各栄養レベルの生物に対するHMsの毒性およびプロバイオティクスの保護戦略については，まだ包括的にレビューされていない。そこで，本総説では，水生食物連鎖の生物（各栄養段階）に対するHMsの毒性効果について，特に腸内細菌叢に着目してまとめた。また，毒性緩和における細菌性プロバイオティクスの可能性と，その中でHMsによる毒性を防ぐための保護戦略についても説明する。食餌性プロバイオティクスは、主に生物の腸内からHMs（50-90％）を除去することができる。具体的には、プロバイオティクスは、腸内HM隔離の促進、HMの解毒、金属トランスポータータンパク質の発現変化、腸管バリア機能の維持などを介して、腸管でのHMsの吸収を抑えることが報告されている。このプロバイオティクスは、養殖用HMsの毒性を最小限に抑え、人間の健康を守るための新しい戦略として推奨される。

グラフの概要
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はじめに
重金属（HM）は，その非生分解性・生物蓄積性から，大気，水，土壌の汚染を引き起こしている汚染物質の主要なカテゴリーの一つである（Chen et al.） それらは環境中に微量に存在する。人為的活動による汚染は，HMsの濃度を強め，それらを毒性にした（Vhahangwele and Khathutshelo, 2018）。世界では、湖や河川の約40％がHMsによって汚染されている。これは、人為的な目的で広範囲に利用され、HMsを含む廃棄物が大量に溶出するからである（Bilalら、2022；Kakadeら、2021；Zamora-Ledemesmaら、2021）。産業界は、主にHMsの最大の原因物質と考えられている。水生環境におけるHMsの蓄積は、生物への金属の侵入を引き起こし、長期的な影響を与える（Yu et al.）

HMs の蓄積は，各栄養段階において異なる可能性がある。デンス川（中国）の報告では，底生魚種は遠洋（草食）魚やエビよりも高濃度のPb，Cd，Hgを蓄積していた（Amankwaa et al.，2021）。太湖の植物プランクトンは動物プランクトンよりも高濃度のHMs（Cu、Zn、Cd）を示し、巻貝と捕食魚はそれぞれ二枚貝と草食魚よりも多く蓄積した（Taoら、2012）。紅海では，魚類よりも甲殻類やイカ類にHMs（Zn，Cu，Cd，Pb，Hgなど）が多く蓄積されていた（Younis et al.，2015）。一方，南極半島では，腹足類やヒトデよりも大型藻類の方がHg濃度が高かった（De Castro-Fernández et al, 2021）。これらの報告から，HMsの蓄積は，種の分布，種類，長さに加え，吸収傾向や水面からの距離にも影響されることが示唆された。また，上位の捕食者（大型魚や底生動物）が最も高濃度のHMsを保有していることが多いことが示された。

HMsの蓄積は，いくつかの毒性作用（酸化ストレス，炎症，組織学的損傷，遺伝子変異など）や腸内細菌の変化を引き起こす（Amoatey and Baawain, 2019; Qian et al., 2020）。毒性は、HMsが透過性膜（エラなど）を介して体内に入り、代謝酵素の本来の金属イオンを置き換える、タンパク質構造を破壊する、細胞周期を乱すDNA架橋を形成するなど、異なる反応によって干渉することで生じる（ガライら、2021；Zhangら、2021a）。毒性があるにもかかわらず，水産物の需要は増加しており，水生生物を含むHMsの消費は，神経系，肝，腎，生殖器の障害や，心血管や末梢血管の疾患など，人間にも同様の影響を与える可能性がある（Azeh et al.，2019）。食物連鎖におけるHMsの移動は避けられないため，消費前に水生生物からHMsを除去する有効な解決策を見つけることが必要である。

プレバイオティクスやプロバイオティクスなどの飼料添加物は，腸内バリアと健康な腸内細菌数を維持することによって，HMsや病原体に対して有効である（Arun et al, 2021; Yaqoob et al, 2021; Yukgehnaish et al., 2020）。プレバイオティクスとプロバイオティクスは、魚やエビの養殖において、成長性能、飼料利用率の向上、免疫力の強化、病原体に対する抑制化合物の生成、病原性遺伝子の抑制、インターロイキン（IL）-1 bや腫瘍壊死因子（TNF）-αなどの炎症性サイトカインの発現抑制のために広く応用されている（Buttら、2021; Kumarら、2016; Rohaniら、2022). その中でも、プロバイオティクスはHMに対する高い可能性を持っているため、より注目されています。研究により、食餌性ラクトバチルス属およびバチルス属は、動物（魚やザリガニなど）における単一のHM（Cd、Cu、Asなど）の吸収を大幅に減少させることができることが示されている。これらの細菌細胞は、腸のバリア機能を維持し、タイトジャンクション（TJ）タンパク質の発現を増加させ、マクロファージ産生と抗炎症反応のために上皮細胞を誘導し、さらに腸内細菌群の数と多様性を支持することによって、毒性作用を緩和することができる（Hanら、2022；Wangら、2020；Wanguyunら、2019）。私たちの最近の研究では、L. lactisが腸内細菌叢を調節することによって、C. carpioの腸と筋肉から複数のHM（Cr、Cd、Cu）を除去できることも発見しました（Kakadeら、2022年）。

これまでのレビューでは、生化学的、組織学的、分子的、成長、発達、および繁殖パラメータを含む、魚類に対するHMsの毒性効果について深く審議されている（Garaiら、2021；Shahjahanら、2022；Taslimaら、2022）。病原体抑制および疾病予防のための魚およびエビの養殖における飼料および／または水添加物としてのプロバイオティクスの応用も詳述された（Buttら、2021年；Kumarら、2016年；Sayesら、2017年）。HMsの腸内細菌叢への影響と、その影響を緩和するためのプロバイオティクスの可能性に関する簡単な議論は、ほとんどが魚とマウスモデルについてのみ提供されている（Arunら、2021; Duanら、2020）。しかし、これらのレビューでは、消費量の多い魚介類ではあるが、他の食物連鎖生物（植物プランクトン、動物プランクトン、軟体動物、甲殻類、底生動物など）に対するHMsの分布や毒性作用については欠落している。宿主の健康に重要な役割を果たすにもかかわらず、HMsとプロバイオティクスがその腸内細菌叢に与える影響は説明されていない（魚を除く）。さらに、HMsの毒性影響から身を守るためのプロバイオティクスの防御戦略についても検討されていない。

そこで、本レビューでは、底質を通じて蓄積・放出されるHMsの役割と水生生物への毒性影響について、特に腸内細菌叢に着目してまとめることを目的としている。一般的に研究されているHMs（Cd，As，Pb，Hg，Cuなど）が各栄養段階（藻類，軟体動物，甲殻類，魚類，底生動物，水生哺乳類）の異なる生物に与える一般的な毒性効果を示した。プロバイオティクスの役割（HMs浄化、疾病予防、免疫強化、腸内恒常性維持など）、HMs汚染環境下で持続するプロバイオティクスの保護戦略（HM吸着、スライム層保護、エネルギー依存性排出）、特に水生生物の腸内について説明されている。また、HMs汚染の健康リスク評価についても考察している。

セクションの抜粋
重金属汚染と水生生態系への影響
水生環境中の金属は，水中，堆積物，水生生物の内部に溶存，微粒子，あるいはキレート化・複合化した形で存在する（Al Naggar et al., 2018; Amankwaa et al., 2021）。太平洋と大西洋は，溶存形態と粒子形態で存在するPb，Fe，Mn，Ni，Zn，CrなどのHMで汚染されていることが分かっている（Bensonら，2017; Sujithaら，2020）。淡水域（河川や湖沼など）でも高濃度で検出されている。

健康維持におけるプロバイオティクスのアプローチ
飼料に含まれる成分（タンパク質、脂肪、繊維、ミネラル、ビタミンなど）は、腸内細菌叢と腸の健康のバランスに影響を与える重要な要因の一つである（Dawood, 2021年）。プロバイオティクス（生存可能な微生物）を飼料補助食品として使用することは、腸の恒常性を維持することによって生物の健康と発達を維持するための費用対効果の高い効率的なアプローチである。プロバイオティクスは、発酵乳などの使用から初めて発見されたと考えられている。

健康リスク評価
魚介類の摂取による HMs の発がん性および非発がん性の健康リスクを評価するためには、生態リスク評価分析が必 要である。リスク評価の解析には、発がんリスク目標値（TR）とハザード指数目標値（THQ）が最もよく使われる方法である。TR は推定一日摂取量（EDI）と経口発がん性勾配係数（CSFo）の積である。一方、THQは、EDIと経口参照量（RfDo）の比に等しい。THQ値 < 1

結論と今後の展望
重金属（HMs）は水生食物連鎖のすべての生物（藻類，動物プランクトン，軟体動物，甲殻類，底生動物，さらにサメや哺乳類を含む）に蓄積され，そのほとんどがエラからで，強い毒性を持つ。蓄積量は栄養段階が上がるにつれて増加する可能性があり、最上位の捕食者が最大に蓄積する。水生生物（特に魚類や甲殻類）には、主にCd、Cu、As、HgなどのHMsが存在し、その毒性は広く研究されている。

クレジット表記
Apurva Kakade: 概念化、可視化、調査、データキュレーション、形式分析、執筆 - 査読と編集、執筆 - 原案、 Monika Sharma: 可視化、調査、データキュレーション、形式分析、執筆 - 査読と編集、 El-Sayed Salama: 概念化、監督、資源、検証、可視化、執筆 - 査読と編集、資金獲得、プロジェクト管理、 Peng Zhang: 調査、形式分析、 Lihong Zhang: 可視化、査読。

利害関係者の宣言
著者らは、本論文で報告された研究に影響を及ぼすと思われる既知の競合する金銭的利益または個人的関係がないことを宣言する。

謝辞
この研究は、国家自然科学基金（No.32070117, 31870082）の支援を受けて行われた。また，ダブル一流プロジェクト建設スタートアップ資金（No.561119201）の支援も受けた．

参考文献 (156)
K. Rezaei Tavabe
実験室条件下における鉛およびカドミウムの慢性暴露がオリエンタルランド産カワエビ（Macrobrachium nipponense）に及ぼす影響
Comp. Biochem. Physiol. C Toxicol. Pharmacol.
(2019)
S. Rajeshkumar
複数の重金属への曝露がコイCyprinus carpio Lの生化学的および病理組織学的変化に及ぼす影響
フィッシュ・シェルフィッシュ・イミュノル.
(2017)
S. Rajeshkumar et al.
中国、太湖、梅梁湾の魚種における重金属の生物濃縮
トキシコールレップ
(2018)
M.A.Rahman
3種の淡水生物に対するヒ素の毒性および淡水植物プランクトン（Chlorella sp. CE-35）による無機ヒ素の生物変換作用
Ecotoxicol. Environ. Saf.
(2014)
Q. 秦
高濃度カドミウムに曝露した淡水産カニSinopotamon henanenseの免疫反応と血球の超微細構造変化
Aquat. Toxicol.
(2012)
D. Qian
慢性的な水中銅曝露がシロエビLitopenaeus vannameiの成長、免疫、抗酸化能、腸内細菌叢に及ぼす毒性影響
Fish Shellfish Immunol.
(2020)
D. ポール
ガンガー川の重金属汚染に関する研究：レビュー
Annals Agrarian Sci
(2017)
F. パネビアンコ
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J. Food Compos. Anal.
(2021)
K.M. Munley
淡水産有茎巻貝Lymnaea stagnalisにおける鉛のライフサイクル毒性に対する初期段階試験での成長阻害の予測
Aquat. Toxicol.
(2013)
M. モンロイ
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Sci. Total Environ.
(2014)
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